某車用前氧傳感器一種失效模式的研究

崔 凱 陳洪方 張大偉 紀(jì)立柱 劉 全

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

目前，國內(nèi)乘用車發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)各種連接膠管、隔振橡膠等零件普遍使用硅橡膠材料，含硅橡膠的零件在汽車行駛過程中會釋放出硅氧烷氣體，硅氧烷對空氣參考型前氧傳感器等敏感電子元件的可靠性有很大影響。

本文通過對某空氣參考型前氧傳感器失效的問題進(jìn)行了分析，研究了發(fā)動機(jī)機(jī)艙中硅氧烷氣體的來源，闡述了硅氧烷導(dǎo)致空氣參考型前氧傳感器失效的機(jī)理及相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 前氧傳感器分類及進(jìn)氣過程

1.1 前氧傳感器分類及原理

現(xiàn)在的汽車上一般都安裝2 個氧傳感器，其中一個氧傳感器位于三元催化的前端[1]，通常稱為前氧傳感器。車用前氧傳感器按原理可以分為電容參考和空氣參考2 種類型。

電容參考型前氧傳感器原理：ECU 通過對參考電壓和尾氣側(cè)電極產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進(jìn)行比較，確定尾氣中氧氣的含量。由于直接采用電壓參考不涉及外界空氣，因此發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體成分對該類傳感器無影響。如圖1 所示。

圖1 電容參考型前氧傳感器原理

空氣參考型前氧傳感器原理：帶有空氣參考腔和尾氣腔2 個獨(dú)立腔室，因空氣參考腔和尾氣腔中氧離子的密度不同，與電極反應(yīng)產(chǎn)生的電壓也不同。ECU 通過對2 者電壓進(jìn)行比較，計(jì)算出氧含量。發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體需要不斷進(jìn)入?yún)⒖记粌?nèi)，用于反應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體成分對該類傳感器影響很大，如圖2 所示。

圖2 空氣參考型前氧傳感器原理

1.2 空氣參考型前氧傳感器進(jìn)氣過程

空氣參考型前氧傳感器進(jìn)氣過程主要分為2 個階段：

當(dāng)車輛起動時(shí)，傳感器開始工作，參考腔內(nèi)空氣中的氧氣不斷被反應(yīng)消耗掉，發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)入傳感器內(nèi)部。

當(dāng)車輛停車后，傳感器溫度逐漸下降，傳感器內(nèi)參考腔氣體體積隨著溫度下降而減小，發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體被吸進(jìn)傳感器參考腔內(nèi)。如圖3 所示。

圖3 前氧傳感器進(jìn)氣過程

2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙中的硅氧烷氣體對空氣參考型前氧傳感器的影響

2.1 發(fā)動機(jī)機(jī)艙中硅氧烷的來源分析

發(fā)動機(jī)機(jī)艙中，進(jìn)氣系統(tǒng)的連接膠管、減震橡膠等零件普遍使用含硅橡膠。研究表明，即使沒有達(dá)到硅氧烷的沸點(diǎn)，在常溫下，橡膠中的低分子硅氧烷也會揮發(fā)。整車行駛過程中，發(fā)動機(jī)機(jī)艙溫度會升高到60 ℃左右，更利于硅氧烷的釋放。硅氧烷通常以D3～D8 的型式存在于發(fā)動機(jī)機(jī)艙中。環(huán)狀有機(jī)硅氧烷的開環(huán)聚合反應(yīng)如圖4 所示[2]。

圖4 環(huán)狀有機(jī)硅氧烷的開環(huán)聚合反應(yīng)

2.2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體中硅氧烷含量測試

通過在某試驗(yàn)車輛進(jìn)氣含硅膠管、前氧傳感器位置布置硅氧烷捕捉設(shè)備及溫度傳感器，對不同整車工況下的氣體中硅氧烷含量進(jìn)行測試。測試位置見圖5。

圖5 測試位置

通過發(fā)動機(jī)機(jī)艙測試表明：膠管會釋放出低分子的硅氧烷。測試工況及數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 不同工況下膠管溫度及硅氧烷釋放量

對不同工況下，傳感器位置的硅氧烷氣體含量進(jìn)行分析：

在車速為110 km/h 的工況下，因前迎風(fēng)流速高，發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的氣體充分循環(huán)，傳感器處檢測到的硅氧烷量最低；

爬坡及停車工況（DS 工況），膠管溫度相對較高，同時(shí)沒有前迎風(fēng)循環(huán)，硅氧烷充分釋放并積聚在發(fā)動機(jī)機(jī)艙中，傳感器位置的硅氧烷濃度最高。見圖7。

圖7 不同工況下前氧傳感器處測得的硅氧烷含量

2.3 前氧傳感器的失效件檢測

空燃比控制器主要通過氧傳感器模型輸出反饋信號實(shí)現(xiàn)空燃比控制[3]。對試驗(yàn)后的前氧傳感器性能進(jìn)行檢測，將該前氧傳感器測定的空燃比與實(shí)際值比較，結(jié)果顯示，該傳感器測定的空燃比高于實(shí)際值，見圖8，傳感器已失效。

對失效的傳感器空氣側(cè)電極進(jìn)行元素檢測，發(fā)現(xiàn)電極上含有硅元素。對空氣側(cè)電極進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)電極表面已被二氧化硅覆蓋，見圖9，這種失效稱“硅中毒”。

圖9 電極表面檢查（空氣側(cè)電極電鏡掃描）

2.4 前氧傳感器的失效機(jī)理

當(dāng)硅氧烷氣體進(jìn)入前氧傳感器空氣參考腔內(nèi)，反應(yīng)生成二氧化硅，粘附在電極上。隨著電極上二氧化硅逐漸積累，會阻斷正常的電極與氧氣的化學(xué)反應(yīng)，使傳感器無法準(zhǔn)確測量氧氣含量。當(dāng)二氧化硅的量超過臨界值，最終導(dǎo)致傳感器失效。見圖10。

圖10 前氧傳感器失效機(jī)理

試驗(yàn)測試表明，發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)使用的硅橡膠管可生成低分子硅氧烷氣體釋放到發(fā)動機(jī)機(jī)艙中，硅氧烷氣體隨發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體流動進(jìn)入空氣參考型前氧傳感器，反應(yīng)生成二氧化硅，粘附在電極上，當(dāng)二氧化硅達(dá)到一定數(shù)量，將導(dǎo)致傳感器失效，這種失效稱為傳感器“硅中毒”。

3 改進(jìn)措施與效果驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

根據(jù)失效機(jī)理，可以從硅氧烷產(chǎn)生源與傳感器的耐硅能力2 個方面進(jìn)行針對性改進(jìn)。見圖11。

圖11 改進(jìn)方向

1）降低整車硅氧烷釋放量。例如膠管裝車使用前，通過提前加熱、清洗，降低硅氧烷釋放量。或優(yōu)化膠管材料，降低膠管中硅元素含量，從而減少硅氧烷釋放量。

2）提高傳感器本體耐硅能力。例如在傳感器電極處增加二氧化硅捕捉層，保護(hù)電極。

3.2 效果驗(yàn)證

3.2.1 試驗(yàn)資源準(zhǔn)備試驗(yàn)車輛：一臺

試驗(yàn)設(shè)備：ETK、592、傳感器耐久試驗(yàn)臺架、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室，硅含量檢查儀，優(yōu)化前膠管1 套，降低硅量膠管1 套，清洗后膠管1 套。

3.2.2 降低整車硅氧烷釋放量改進(jìn)方案效果

通過整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)測試膠管硅氧烷釋放量，結(jié)果見表1。

表1 膠管硅氧烷釋放量整車測試結(jié)果

數(shù)據(jù)分析表明：

1）裝車前對膠管進(jìn)行清洗及加熱24 h（120 ℃下），可以降低膠管硅氧烷釋放量，其硅氧烷最高釋放量由15 000 ng 降低到1 200 ng。

2）優(yōu)化膠管材料成分，降低其中硅含量，硅氧烷最高釋放量可下降到500 ng。

3.2.3 提高前氧傳感器耐硅能力改進(jìn)方案效果

在傳感器電極處增加捕捉層（如氧化鋁涂層），使二氧化硅不會直接覆蓋到電極上，避免其阻斷電極反應(yīng)，提高傳感器本體耐硅能力。通過耐久試驗(yàn)增加捕捉層后，電極耐硅能力顯著提升。見圖12。

圖12 捕捉層原理及效果驗(yàn)證

4 結(jié)束語

本文剖析了整車膠管釋放的硅氧烷對空氣參考型前氧傳感器的影響，闡明了硅氧烷的可能來源，分析了傳感器因“硅中毒”而失效的原因及機(jī)理。從硅氧烷產(chǎn)生來源及傳感器本身2 個方向提出了解決方案，通過試驗(yàn)論證了方案的有效性。

當(dāng)前，隨著整車自動化程度越來越高，整車上使用的傳感器、光學(xué)元件等靈敏元件數(shù)量越來越多，含硅橡膠零件在整車上被廣泛使用。這些零件釋放出的硅氧烷氣體對電極反應(yīng)類傳感器原件、光學(xué)元件、精密導(dǎo)電元件都存在很大的潛在威脅。因此，需要特別注意傳感器因“硅中毒”而失效的現(xiàn)象，關(guān)注發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)氣體的成分對零件可靠性的影響。